[发明专利]使用不平衡的磁场和共转来控制生长硅晶体的熔体-固体界面形状

说明书

背景技术

通常根据所谓的卓克拉尔斯基(Czochralski)法制备单晶硅，单晶硅是用于制造半导体电子部件的大多数工艺中的初始材料。在该工艺中，多晶硅被置入到坩埚并被熔化，使籽晶与熔化的硅接触，并通过相对缓慢的抽拔生长单晶(本文还称为单晶体)锭。在完成颈部形成之后，减小拉拔速率和/或熔化温度增大晶体的直径，直到达到希望的或目标直径。然后，通过控制拉拔速率和熔化温度同时补偿降低的熔体平面(melt level)来生长晶体的通常圆柱形的主体(具有近似恒定的直径)。在生长工艺邻近结束但在坩埚中的熔化的硅变空之前，逐渐减小晶体直径以形成端锥(end-cone)。典型地，通过增加晶体拉拔速率和供给到坩埚的热而形成端锥。当直径变得足够小时，将晶体与熔体分离。

为了制造半导体级单晶硅，以及更具体而言，大的、基本上无缺陷的晶体，必须控制包括正在生长的晶体的外周边缘的固化界面的特性。在本文中，正在生长的晶体的固化界面也称为熔体-固体界面。熔体-固体界面的形状是获得用于制造单晶硅的适宜工艺窗口的重要因素。

因此，希望可以控制熔体-固体界面的形状的对晶体生长工艺的改善的控制，以便有助于增加制造单晶硅的工艺窗口。

发明内容

在一个方面，提供了一种控制晶体生长系统中的晶体生长的方法。所述晶体生长系统具有被加热的坩埚，所述被加热的坩埚包括用于从其根据卓克拉尔斯基工艺生长单晶锭的半导体熔体。在籽晶上生长从所述熔体拉拔的所述锭。所述方法包括：将不平衡的会切磁场(cusped magnetic field)施加到所述熔体；以及在从所述熔体拉拔所述锭的同时沿相同方向旋转所述锭和所述坩埚。

在另一方面，提供了一种有助于控制熔体-固体界面的形状的生长硅晶体的系统。所述晶体生长系统包括被加热的坩埚，所述被加热的坩埚包括用于从其根据卓克拉尔斯基工艺生长单晶锭的半导体熔体。在籽晶上生长从所述熔体拉拔的所述锭，以及所述熔体和所述锭在其间形成所述熔体-固体界面。所述系统包括：第一组线圈和第二组线圈，其邻近所述坩埚的外部设置，用于产生不平衡的会切磁场；以及坩埚驱动单元和晶体驱动单元，被配置为沿相同方向旋转所述坩埚和所述晶体。

附图说明

图1为示例了施加到晶体生长设备中的含有熔体的坩埚的轴向(本文中，还称为垂直)磁场的框图；

图2为示例了施加到晶体生长设备中的含有熔体的坩埚的水平(本文中，还称为横向)磁场的框图；

图3为示例了施加到晶体生长设备中的含有熔体的坩埚的会切磁场的框图；

图4为示意性晶体生长系统的框图；

图5和6示例了示意性熔体-晶体界面；

图7为在晶体生长期间形成的熔体流动基元(melt flow cell)的示意图；

图8A、8B以及8C分别示例了在平衡会切磁场下的晶体生长期间的示意性熔体流动模拟、示意性温度场模拟以及示意性磁场矢量模拟；

图9A、9B以及9C分别示例了在不平衡会切磁场下的晶体生长期间的示意性熔体流动模拟、示意性温度场模拟以及示意性磁场矢量模拟；

图10为两个示意性熔体-固体界面的示例；

图11为在存在平衡磁场时的晶体生长的示意性缺陷过渡(defect transition)图；

图12为在存在不平衡磁场时的晶体生长的示意性缺陷过渡图；以及

图13为在例如图4示出的系统的晶体生长系统中控制晶体生长的示意性方法的流程图。

具体实施方式

控制熔体-固体界面的形状是确定形成的硅晶体的质量的重要因素。熔体-固体界面的形状依赖于但不限于诸如温度、坩埚或晶体旋转以及晶体拉拔速率的工艺参数。通过确定这些工艺参数，还可以确定熔体-固体界面。在示意性实施例中，在晶体生长工艺期间施加的磁场同样会影响熔体-固体界面的形状。可以使用磁场稳定化金属和半导体熔体中的对流并抑制自然对流和湍流。存在用于稳定导电熔体中的对流的三种常规类型的磁场配置，即，轴向、水平和会切型。

图1为示例了施加到晶体生长设备中的含有熔体25的坩埚23的轴向(本文中，还称为垂直)磁场的框图。轴向磁场配置产生平行于晶体生长方向的磁场。在图1中，以截面图示出的磁体线圈21向坩埚23提供磁场。如所示，坩埚23包含用于生长晶体27的硅熔体25。

图2为示例了施加到晶体生长设备中的含有熔体25的坩埚23的水平向(本文中，还称为横向)磁场的框图。在水平磁场配置中，两个磁极29被相对设置以产生垂直于晶体生长方向的磁场。